主動式沖擊氣流熄滅電弧裝置介紹及試驗研究

李心如,王巨豐

(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

由雷擊造成的斷路器跳閘、輸電線路斷線等事故頻發，給電力系統安全穩定運行帶來了影響，因此，對于雷電的防護不容小覷。尤其是我國南部地區雷雨天氣頻繁，雷暴日多。根據統計顯示，廣西 2013 年上半年，110kV及以上輸電線路共發生雷擊跳閘374起，占總跳閘事故數的 73.2%[1-2]。一旦雷擊跳閘率增高，將影響電力安全的運行和國民經濟的穩定。

目前，我國的防雷體系主要有兩種，一種為阻塞型防雷方式，另一種為疏導型防雷方式[3]。由于雷電擊中線路時，線路易產生過電壓，在絕緣子處發生閃絡，由沖擊閃絡變為工頻電壓，因此，造成電力系統中線路跳閘，甚至設備損壞。由于阻塞型防雷方式比較傳統，主要是安裝避雷針、避雷線、耦合地線，降低桿塔接地電阻、提高線路絕緣水平、安裝避雷器等方式[4]，而疏導型防雷方式是利用并聯間隙保護線路。

這兩種方式各有利弊，阻塞型防雷方式應用于各個方面，在一定程度上防止雷擊導致線路跳閘，但在極端天氣條件下，避雷線易被損毀，尤其在冰雪天氣，覆冰線路易斷裂；有些地區電壓等級較高，并不適合安裝避雷線；土壤中的化學物質長時間將對接地線路造成損壞，避雷器的保護范圍有限等等。疏導型防雷方式國外早有研究，我國研究起步較晚，對于利用并聯間隙保護絕緣子使其不發生閃絡來說，關鍵在于延長并聯間隙的使用壽命，提高并聯間隙兩端電極的利用率，所以如何使并聯間隙在經過多次雷電擊中后，不發生損毀成了防雷方面的難題。

并聯間隙沒有滅弧的能力，是一種以提高線路跳閘率來換取線路安全的手段。由于普通的并聯間隙沒有主動熄滅閃絡電弧的能力，當雷電流擊中間隙時，線路發生跳閘，只有重新啟動自動重合閘裝置才能保證電力的供應。這對多重雷擊的情況是致命的，根據國內外對雷電觀測數據研究，70%的地面落雷具有重復性，其重復回擊次數在2～20次以上，平均回擊次數達3～4次，時間間隔為15ms～500ms，平均大概在30ms～40ms[5]。疊加性的雷擊極易使得并聯間隙失效。

針對現有技術瓶頸，提出了一種主動式沖擊氣流熄滅電弧等離子體的方法。主動式沖擊氣流熄滅電弧等離子體方法就是利用自身氣體作用于電弧并使其熄滅，也稱為氣體滅弧技術。利用該技術解決并聯間隙無法滅弧的難題，研制出一種主動式沖擊氣流熄滅電弧的防雷裝置。能夠迅速截斷間隙兩端的電弧，保護絕緣子串免受電弧灼燒，防止事故的發生。

本文論述了該裝置結構及主動滅弧原理、過程，并通過滅弧試驗對高速氣流作用于電弧并熄滅和抑制電弧過程進行詳細的研究分析。

2 主動式沖擊氣流熄滅電弧裝置

2.1 裝置介紹

2.1.1 安裝方式

該裝置并列安裝于絕緣子兩端，保持一段距離，其底端于高壓端相接，上端與空氣間隙形成一定間距，在安裝過程中主要調整間隙長度以及該裝置與絕緣子之間的距離，以達到最佳絕緣配合比，確保雷電弧的行程路徑是先擊穿在沖擊氣流裝置與空氣之間，保護絕緣子，降低線路跳閘率。

2.1.2 主體結構

該裝置包括石墨電極、多個沖擊電弧通道、主體以及裙邊結構組成，見圖1所示。石墨電極與上端線路有一定距離的空氣間隙，由于其兩端絕緣程度小于絕緣子絕緣程度，同時，石墨電極具有良好的導電性，電弧會優先通過空氣以及該裝置內部沖擊氣流通道，起到優先引弧作用。主體內部由多個沖擊電弧通道呈螺旋型結構排列，具體排列方式如圖2所示。單個通道頂端鑲嵌一個金屬電極，起到引弧作用，其內部結構入口粗，出口細，增加管道內壁面部，增大與電弧的接觸面積。設置裙邊主要是增強爬電距離，避免電弧沿面放電。主體以及多個管道是由高強度、強耐壓的非導電材料構成。

圖1 主動式沖擊氣流滅弧裝置

2.1.3 動作原理

將剛剛進入管道入口處的電弧稱為入口電弧，入口電弧通過金屬電極進入第一層管道內部，收到管道的狹管灌注作用，受到狹管灌注的入口電弧由于弧柱直徑變小，導致整個電弧導電橫截面積變小、電弧密度增大、電弧中心溫度升高、速度增大，管內壓力急劇上升；電弧沖擊管壁發生彈性碰撞，部分電弧反彈，形成出口電弧，方向與入口電弧相反。

此時，入口電弧與出口電弧形成的壓強、溫度、密度疊加，使得管內壓強成配屬增加。最后，入口電弧與出口電弧形成內外壓強差、溫度差、密度差以及速度差，使得疊加后的電弧能量削弱，同時，出口電弧阻礙入口電弧的進入，在管道入口處形成電弧大尺度斷口，破壞電弧連續性，加速電弧熄滅；同時，形成的空腔效應，加速入口電弧的截斷。

2.2 工作原理

電弧等離子體等在管內發生彈性形變。電弧由管道外口進入內部時，物理形狀發生改變，由粗電弧變成了極細的電弧，徑向壓力轉成了軸向壓力，由于狹管反沖效應，在電弧反沖時噴出速度會加快。

電弧的溫度急劇增加。電弧變細后，電弧橫截面積變小，根據公式r=ρl/S可知，電弧電阻將大幅度上升。由于雷電弧在實際經驗工作中常作為恒流源，盡管沖擊時間僅有幾微秒，但整體能量會增加，管道內斂性溫度會升高。

電弧能量流失的三種方式為輻射、對流、傳導，由于半封閉管道在底端封堵的情況下，巨大的電弧能量進入窄小的管道內得不到釋放，對電弧起到了阻斷的作用，只會產熱，不會散熱，因此，會產生階梯式的溫升效果，管內溫度持續升高。

管道內壓爆效應急劇增加。當管道內溫度逐步升高使得電弧積累性的增加，又進一步加劇了壓爆效應，使得電弧噴射力度更大。

大量電弧噴射出的強氣流越大，則熄滅電弧能力越強。因此沖擊氣流在工頻續流早期截斷就抑制電弧的發展，降低了線路雷擊跳閘率，同時保證了不停電。

3 實驗證明

為了驗證這種滅弧方式的實際作用效果，本節將通過設計合理的實驗方案和搭建有效的實驗回路，并借助高速攝像機和示波器等測試工具，模擬記錄雷擊大電流條件下這種滅弧結構中沖擊電弧及工頻續流電弧的發展變化效果。

3.1 試驗設備

利用實驗室的沖擊電流發生器及控制臺完成，如圖2所示。沖擊電流發生器的主要作用之一是對回路參數進行控制，從而達到調整參數、波形的目的，通過改變電壓值，使電流幅值隨之改變。需要電流參數為波形 8μs/20μs，幅值20kA。再利用CCD高速攝像機及數字示波器采集記錄了自能式滅弧間隙的動作過程及電弧電壓變化波形，據此以分析沖擊電弧及工頻續流電弧的變化過程及規律。

T—充電變壓器，D—硅堆，C—并聯總電容，r—保護電阻，G—點火球隙，L，R—電感值及電阻值(包括電容器、回路線、分流器、試品以及外加電感電阻等部分在內)，O—試品，S—分流器，C1，C2—分壓器，DSO—數字示波器

3.2 試驗過程

利用沖擊電流發生器以整流電壓作為充電電源，在運行時，電容器組首先達到由整流器充電而獲得的必需電壓，進而產生的觸發脈沖將擊穿點火球隙 G，此時，電容器組就將沿著回路電感、電阻及試品完成放電。

3.3 試驗結果及分析

圖3為高速攝像機不同時刻拍攝下的電弧熄滅情況。可以看出，沖擊電弧進入滅弧間隙后50μs內，電弧發展路徑受限，電弧出現彎曲轉折，光亮強度明顯；當滅弧時間在150μs時，管道處有較高的軸向壓力，弧柱體積減小；在300μs時，電弧斷裂，弧柱被縱吹氣流吹滅；在500μs之后，縱吹氣流將逐漸完全耦合間隙中的工頻電弧，工頻電弧在經歷了極其短暫的暫態發展后迅速進入衰減期。該實驗也證明主動式沖擊氣流滅弧裝置的有效性。

圖3 不同時刻電弧熄滅情況

4 結論

首先對主動式沖擊氣流熄滅電弧裝置的安裝方式、結構、動作原理做了介紹，然后以沖擊大電流實驗驗證了其裝置滅弧的有效性，為后續裝置的實驗及仿真研究提供了基礎。